漆　強(qiáng), 劉　爽

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院, 四川 成都　610054)

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基于嵌入式系統(tǒng)的傳感器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

漆強(qiáng), 劉爽

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院, 四川 成都610054)

為了滿足教學(xué)需求,利用嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一系列的傳感器應(yīng)用實(shí)驗(yàn),敘述了硬件電路和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。利用該平臺(tái)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有一定的難度梯度和分層屬性,給學(xué)生預(yù)留一定的設(shè)計(jì)內(nèi)容,引導(dǎo)學(xué)生積極探索、提高其創(chuàng)新能力,并使公共課程之間的內(nèi)在聯(lián)系得到加強(qiáng)。

傳感器應(yīng)用； 嵌入式系統(tǒng)； 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來臨,嵌入式系統(tǒng)以其控制靈活、智能化和互聯(lián)性等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、環(huán)境工程、航天設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)工程、可穿戴設(shè)備及智能家居等領(lǐng)域[1-2]。

掌握基本的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是電子類專業(yè)學(xué)生應(yīng)該掌握的基本技能。對(duì)于我院學(xué)生而言,是進(jìn)行傳感器應(yīng)用和顯示器件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[3-4]。為此我們將多年的科研積累和教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合,設(shè)計(jì)了嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),該平臺(tái)除了包含嵌入式微控制器基本的最小系統(tǒng)、輸入輸出接口和人機(jī)接口外,還將所有的通用輸入輸出接口(GPIO)外引,用于進(jìn)行各種傳感器或者顯示器件的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。嵌入式系統(tǒng)實(shí)物圖見圖1[5-6]。

1　硬件電路設(shè)計(jì)

在各類傳感器應(yīng)用中,反射型光電傳感器是應(yīng)用最多的一種,不僅可以進(jìn)行黑白顏色的路徑導(dǎo)航,還可以用于障礙物的檢測(cè)。這種光電傳感器的基本原理是:內(nèi)部帶有一個(gè)紅外發(fā)光管和一個(gè)紅外接收管,紅外發(fā)光管發(fā)出的光經(jīng)過待測(cè)物體的反射后被接收管接收,接收管的電阻會(huì)發(fā)生變化,在電路上一般以電壓的變化形式體現(xiàn)出來,經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換或LM324等電路整形后得到處理后的輸出結(jié)果。電阻的變化取決于接收管所接收的紅外信號(hào)強(qiáng)度。其實(shí)物圖見圖2[7]。

由于反射型光電傳感器采用一體化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),并且感應(yīng)的是紅外光,常見光對(duì)它的干擾較小,是在智能導(dǎo)航小車、機(jī)器人等制作中廣泛采用的一種傳感器。以常用的黑白顏色路徑導(dǎo)航的應(yīng)用為例,其檢測(cè)原理為:由于黑色吸光,當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)出的光照射在黑色表面后反射光較小,接收管接收到的紅外光也就較少,表現(xiàn)為電阻比較大,通過外接的電路就可以讀出檢測(cè)的狀態(tài)。同理,當(dāng)照射在白色表面時(shí),反射的紅外光就比較多,表現(xiàn)為接收管的電阻就比較小[8]。

圖1　嵌入式系統(tǒng)實(shí)物圖

圖2　TCRT5000反射型光電傳感器實(shí)物圖

加裝濾色片(可以用玻璃紙)可以方便地改變紅外光管的光譜特性以制造各種顏色傳感器、對(duì)不同顏色的路徑進(jìn)行識(shí)別。反射型光電傳感器應(yīng)用基本的電路原理圖見圖3。

圖3　反射型光電傳感器應(yīng)用電路原理圖

原理圖電路分析:R1為限流電阻,不同大小的限流電阻決定了紅外發(fā)光管的發(fā)射功率,R1越小,紅外發(fā)射管的功率就越大,則檢測(cè)的距離越遠(yuǎn),但是功耗增加。因此可以根據(jù)自己的測(cè)試情況選擇合適的限流電阻。R2為分壓電阻,R2的選擇和采用紅外接收管的內(nèi)阻有關(guān),由于R2和接收管構(gòu)成分壓電路,因此R2的大小和接收管的電壓變化有關(guān)。其阻值的選擇需要在實(shí)際的測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行調(diào)整[9]。

LM339AN配置為比較器的功能,同相端接一個(gè)可變電阻用于調(diào)節(jié)參考電壓,反相端接光電傳感器的輸出。當(dāng)同相端電壓高于反相端時(shí),輸出管截止,相當(dāng)于輸出端開路,由外接的上拉電阻R4提供一個(gè)高電平。當(dāng)反相端電壓高于同相端時(shí),輸出管飽和,相當(dāng)于輸出端接低電位。2個(gè)輸入端電壓差別大于10 mV就能在輸出端得到電平狀態(tài)的變化。

按圖3的原理圖設(shè)計(jì)印制板圖,和微控制器的接口只需要3根連線:電源(VCC),可接3.3 V或者5 V,地(GND),狀態(tài)輸出(OUT)。最終的實(shí)物圖見圖4。

圖4　反射型光電傳感器模塊電路實(shí)物圖

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

完成反射型光電傳感器模塊的電路設(shè)計(jì)后,其基本的讀取程序很簡(jiǎn)單,直接利用微控制器的GPIO的輸入功能讀取引腳的電平變化即可。由于我們?cè)O(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)采用了Cortex-M3內(nèi)核的微控制器LPC1768,其GPIO的操作非常簡(jiǎn)單,其基本操作流程見圖5。

圖5　GPIO操作流程

在進(jìn)行具體的路徑識(shí)別時(shí)就需要進(jìn)行一些算法的考慮,下面以最基本的黑白線循跡為例,介紹最簡(jiǎn)單的循跡算法。

假設(shè)采用3個(gè)反射型光電傳感器來進(jìn)行路徑檢測(cè),檢測(cè)的環(huán)境為白色背景的KT板上貼上黑色的導(dǎo)航條作為路徑引導(dǎo)。傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)輸出高電平,檢測(cè)到白色背景時(shí)輸出低電平[10]。具體的示意圖見圖6。智能小車在這種環(huán)境下行駛時(shí),傳感器檢測(cè)到的情況見表1。

圖6　智能小車行駛示意圖

小車狀態(tài)傳感器編號(hào)321正常行駛010輕微右偏011嚴(yán)重右偏001輕微左偏110嚴(yán)重左偏100脫離導(dǎo)引線000

各種情況分析一下:

(1) 當(dāng)2號(hào)傳感器檢測(cè)到黑線,1、3號(hào)傳感器檢測(cè)到白線的時(shí)候,說明小車正在引導(dǎo)線正中行駛,這時(shí)不需要做任何調(diào)整,保持原來的方向行駛；

(2) 當(dāng)1、2號(hào)傳感器檢測(cè)到黑線,3號(hào)傳感器檢測(cè)到白線的時(shí)候,說明小車輕微右偏,這時(shí)需要稍微加大右輪的轉(zhuǎn)速,使車體向左轉(zhuǎn)較小的角度；

(3) 當(dāng)1號(hào)傳感器檢測(cè)到黑線,2、3號(hào)傳感器檢測(cè)到白線的時(shí)候,說明小車嚴(yán)重右偏,這時(shí)需要大幅度加大右輪的轉(zhuǎn)速,使車體向左轉(zhuǎn)較大的角度；

(4) 當(dāng)2、3號(hào)傳感器檢測(cè)到黑線,1號(hào)傳感器檢測(cè)到白線的時(shí)候,說明小車輕微左偏,這時(shí)需要稍微加大左輪的轉(zhuǎn)速,使車體向右轉(zhuǎn)較小的角度；

(5) 當(dāng)3號(hào)傳感器檢測(cè)到黑線,1、2號(hào)傳感器檢測(cè)到白線的時(shí)候,說明小車嚴(yán)重左偏,這時(shí)需要大幅度加大左輪的轉(zhuǎn)速,使車體向右轉(zhuǎn)較大的角度；

(6) 當(dāng)3個(gè)傳感器均沒有檢測(cè)到黑線時(shí),說明已經(jīng)完全偏離引導(dǎo)線,失去方向,此時(shí)小車將失去導(dǎo)航,循跡失敗,進(jìn)行無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

整個(gè)循跡算法按照這6種可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行編程,使用C語(yǔ)言的Switch-Case語(yǔ)句即可完成。如果要求導(dǎo)航的精度更高,可以增加光電傳感器的數(shù)目,比如由3個(gè)增加到5個(gè),甚至8個(gè)[11]。

利用杜邦線將光電傳感器,電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建為一個(gè)整體的光電控制系統(tǒng),具體的實(shí)物圖見圖7。智能小車的最前方就是安裝的3個(gè)反射型光電傳感器,車體上主要為嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊[12]。

將基本的測(cè)試程序通過JLINK仿真器下載到嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在模擬的實(shí)驗(yàn)路徑中能夠進(jìn)行導(dǎo)航操作,完成直行,轉(zhuǎn)彎和躲避障礙物的基本動(dòng)作。

圖7　光電導(dǎo)航的智能小車實(shí)物圖

3　結(jié)語(yǔ)

基于嵌入式系統(tǒng)的光電傳感器設(shè)計(jì),將嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)和傳感器應(yīng)用的知識(shí)相結(jié)合,并應(yīng)用了基本的循跡算法讓學(xué)生進(jìn)行編程的練習(xí),涵蓋了軟硬件設(shè)計(jì)的各個(gè)方面,契合了我們學(xué)院的專業(yè)方向,取得了良好的教學(xué)效果[13]。同時(shí)利用該平臺(tái)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有一定的難度梯度和分層屬性,給學(xué)生預(yù)留一定的設(shè)計(jì)內(nèi)容,引導(dǎo)學(xué)生積極探索,提高其創(chuàng)新能力,并使公共課程之間的聯(lián)系得到加強(qiáng)[14]。

References)

[1] 漆強(qiáng), 歐中華, 劉子驥, 等. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程實(shí)踐:基于Cortex-M3內(nèi)核處理器LPC17XX[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,2015.

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Design of application experiment of sensor based on embedded system

Qi Qiang, Liu Shuang

(School of Optoelectronic information,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu,610054,China)

In order to meet the teaching requirement, our college has designed a series of experiments for the application of sensor based on embedded system experimental platform. Using this platform to develop experimental content has a certain degree of difficulty gradient stratification property, to be able to set aside a certain design step for students to guide them to actively explore and enhance their ability to innovate, so that our university strengthens the internal relations between public courses.

application of sensor； embedded system； experimental design

10.16791/j.cnki.sjg.2016.02.019

2015- 07- 01修改日期:2015- 08- 24

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(61307102);電子科技大學(xué)2015年本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2015XJYYB028)

漆強(qiáng)(1978—),男,四川成都,碩士,講師。主要研究方向?yàn)轱@示器件驅(qū)動(dòng)和光電系統(tǒng)集成.

E-mail:ytqiqiang@163.com

TP368.1;G484

A

1002-4956(2016)2- 0065- 04